24.39M

Categories: physics

physics

electronics

Светотехника

Что за специальность СВЕТОТЕХНИКА?
80% информации об окружающем мире человек получает за счет зрения.
Чем больше света тем лучше человек ориентируется в окружающей среде.
В естественных условиях первичными источником света являются звезды. На
Земле это солнечный свет днем и свет созвездий ночью.
Существуют и вторичные естественные источники, возникающие за счет
отражения, рассеяния и преобразования прямого излучения солнца: луна, свечение
ночного неба, зодиакальный свет, свечение дневного неба (чистого и облачного).
Воздействовать на естественные источники сложно, но изучать их характеристики и
перераспределять их излучение нужным образом – задачи светотехников
(Измерения в светотехнике и специальные курсы).
Использование естественного света для создания комфортных условий
существования человека – одна из светотехнических задач. (Курсы Светотехнические
установки, Естественное и искусственное освещение и др.) Реализация: установка
защитных экранов, диафрагм, использование зеркал, рассеивателей, световодов и т.д.

6.

Что за специальность СВЕТОТЕХНИКА?
Какой из источников света важнее и нужнее – риторический вопрос.
Наиболее ярко он проявляется когда естественного света не хватает. В этом случае
используют искусственные источники света.
Первые искусственными источники для внутреннего освещения – костер, лучина,
свеча, керосиновая лампа.

7.

8.

Что за специальность СВЕТОТЕХНИКА?
Чаще всего, хотя и не всегда, новые этапы развития техники освещения в
светотехнике связаны с появлением (разработкой и производством) новых
источников света (газоразрядных и твердотельных).
Этапы развития современных источников света: лампа Лодыгина, лампа Эдисона
(лампы накаливания), газоразрядные - свеча Яблочкова, люминесцентные лампы,
НЛВД, МГЛ, КЛЛ, светодиодные источники света.

9.

Что за специальность СВЕТОТЕХНИКА?
Чаще всего, хотя и не всегда, новые этапы развития техники освещения в
светотехнике связаны с появлением (разработкой и производством) новых
источников света (газоразрядных и твердотельных).
Этапы развития современных источников света: лампа Лодыгина, лампа Эдисона
(лампы накаливания), газоразрядные - свеча Яблочкова, люминесцентные лампы,
МГЛ, КЛЛ, светодиодные источники света.

10.

Что за специальность СВЕТОТЕХНИКА?
Чаще всего, хотя и не всегда, новые этапы развития техники освещения в
светотехнике связаны с появлением (разработкой и производством) новых
источников света (газоразрядных и твердотельных).
Этапы развития современных источников света: лампа Лодыгина, лампа Эдисона
(лампы накаливания), газоразрядные - свеча Яблочкова, люминесцентные лампы,
МГЛ, КЛЛ, светодиодные источники света.

11.

Что за специальность СВЕТОТЕХНИКА?
В любой области светотехники необходимая составляющая – научные
исследования. Для создания нового надо знать физику процессов в ИС
• Измерения и оптимизация количественных и
качественных параметров ИС. Два примера:
световая отдача источника света hv, общий индекс
цветопередачи Ra (CRI –general colour rendering
index).
Фv лм
hv
P Вт
• Оценка влияния различных факторов
на срок службы и эксплуатационные
характеристики
• Исследование схем и электронных
компонентов пускорегулирующей
аппаратуры.
11

12.

Что за специальность СВЕТОТЕХНИКА?
Большинство источников светит во всех направлениях, а светить нужно не на все
объекты одинаково. Перераспределяют излучение источника в нужном
направлении осуществляют осветительные приборы. Кроме этого у них есть
дополнительные функции (защита источника, тепловой режим, дизайн, защитный
угол от слепящего действия и др.)
ОСВЕЩЕНИЕ УЛИЦ И ДОРОГ

13.

14.

15.

16.

17.

18.

19.

20.

Основные курсы бакалавриата
СВЕТОТЕХНИКА И ИСТОЧНИКИ СВЕТА
Основы светотехники
Измерения в светотехнике
Математическое моделирование зрительной системы человека
Компьютерная графика
Источники оптического излучения, пускорегулирующие аппараты и
системы управления освещением
Светотехнические установки
Светоизлучающие диоды
Осветительные приборы
Конструирование и технология производства осветительных приборов
Современные системы освещения
Введение в светодизайн

21.

Основы светотехники и фотометрии
• Усвоение и практическое
закрепление теоретических знаний
основ светотехники
• Исследования светотехнических
характеристик материалов
• Проведение необходимых
фотометрических измерений на
современном оборудовании
21

22.

Осветительные приборы
• Изучения основ проектирования
и конструирования оптических,
конструктивных и управляющих
элементов
• Создания опытных образцов для
решение индивидуальных задач.
22

23.

Осветительные и облучательные установки
• Исследования влияния
спектрального состава и
различных режимов освещения
зрительную работоспособность и
функции зрения
• Исследования в области
агрофотоники, влияние излучения
ИК и УФ областей на различные
виды деятельности человека.
23

24.

Основы дизайна светоцветовой среды
• Изучения средств моделирования
свето-цветовой среды
• Использования современных
знаний психологии и физиологии
для проектирования
осветительных установок с учетом
влияния освещения на качество
жизни человека.
24

25.

Светотехника открытого пространства
• Использование наружного
пространства для натурного
моделирования
• Исследование систем управления
и контроля освещения в городской
среде
25

26.

Учебная программа по дисциплине
ОСНОВЫ СВЕТОТЕХНИКИ
4 семестр
Лекции – 64 часа
Самостоятельная работа – 84 часа
Практические занятия – 32 часа включая:
Экзамен
расчетное задание
Преподаватели ведущие занятия в 4 семестре
Профессор Григорьев Андрей Андреевич
Старший преподаватель Кистенева Анна Вячеславовна
Ассистент Рыбина Виктория Андреевна

27.

Литература по Основам светотехники ч.1
1. Г.В. Боос, А.А. Григорьев, С.М. Лебедкова.
Светотехнические величины и единицы: учебное пособие. М.:
Издательство МЭИ, 2018. - 52 с.
2. Григорьев. А.А. Фотометрические и оптические
характеристики тел и сред: учебное пособие. М.: Издательский
дом МЭИ, 2013. - 64 с.
3. Мешков В.В. Основы светотехники: Учеб. пособие для
вузов. Ч. 1. - 2-е изд., перераб.— М.: Энергия, 1979.— 368 с.
4. Справочная книга по светотехнике / Под ред. Ю.Б.
Айзенберга. С 74 3-е изд. перераб. и доп. М.: Знак. — 972 с.

28.

Природа света
Эвклид, III век до н.э;
Птолемей – I век н.э.
Свет исходит из глаз человека в
направлении предметов
Демокрит, Эпикур –
IV век до н.э.
Свет исходит от предметов в
направлении глаза человека
И. Ньютон 17 век н.э.
Свет - это поток частиц от объекта
Х. Гюйгенс 17 век н.э.
Свет – это эл/м волна от объекта
Френель, Т. Юнг 18
век н.э.
Открыли явления интерференции и
дифракции света

29.

Методы определения скорости света
XVI век –
Г.Галилей, Италия
Поставил вопрос о конечности
скорости света.
1676 год – О. Рёмер
Дания
Астрономический метод определения
скорости света:
215 000 км/с

30.

Методы определения скорости света
1849 год – И. Физо,
Франция
Наземный метод определения
скорости света: 313 000 км/с

31.

Преломление света
Ньютон
Френель
y
y
n=1
i
C
C∙t∙sin(i)
n=1
i
C
C∙t
x
i
Fy
n
V∙t
j
C
j
V ∙t ∙sin(j)
Vy
x
i
n
j
V
C t sin(i ) V t sin( j )
sin(i ) V
1
sin( j ) C
V
C t / sin(i ) V t / sin( j )
sin(i ) С
1
sin( j ) V

32.

Современные данные о
скорости света
Физо, Фуко, Майкельсон. Генеральная
ассамбля
С=299792458 м/с ≈ 3*108 м/с
Фуко 1850 год
Метод определения скорости света в
воде: 225 000 км/с

33.

К середине XIX века было известно:
1. Кулон 1785 год. Сила взаимодействия
двух точечных зарядов пропорциональна
произведению их зарядов и обратно
пропорционально квадрату расстояния
между ними.
q1q2
Fк k 2
r
q
E k 2
r
2. Эрстед 1820 год. Электрический
ток (движущиеся заряды) порождает
вокруг себя магнитное ноле.
3. Ампер 1820 год. Постоянное
магнитное ноле оказывает силовое
воздействие на проводник с током
(и движущиеся наряды).
FA I l B
FA IlB sin( )

34.

4. Фарадей 1831 год. Переменное
магнитное поле способно
порождать электрическое поле (т.е.
воздействовать на заряженные
частицы).
Джеймс Клерк Максвелл 1864 год: Если
переменное магнитное ноле порождает
электрическое ноле, то не существует ли
в природе обратного процесса - не
порождает ли электрическое поле, в
свою очередь, магнитное?
E
Ток смещения jсм 0
t

35.

Уравнения Максвелла в интегральной форме
1864 год
V
Закон Гаусса
Поток вектора электрической индукции
через
замкнутую
поверхность
А
пропорционален величине свободного
заряда, находящегося в объёме V,
который охватывается поверхностью A.
E
ρ(V)
0 EdA dV
A
A
V
Закон электромагнитной
индукции Фарадея
Изменение потока вектора магнитной
индукции, проходящего через
незамкнутую поверхность A, взятое с
обратным знаком, пропорционально
циркуляции вектора электрического
поля по замкнутому контуру L,
который является границей
поверхности A.
H
L Edl 0 A t dA
L
E
A
H

36.

Уравнения Максвелла в интегральной форме
1864 год
Закон Гаусса для
магнитного поля
Поток вектора магнитной индукции
через замкнутую поверхность А равен
нулю (свободные магнитные заряды в
природе не существуют)
HdA 0
H
Закон Ампера–Максвелла
Полный электрический ток свободных
зарядов и изменение потока вектора
электрической индукции через
незамкнутую поверхность A,
пропорциональны циркуляции вектора
магнитного поля по замкнутому контуру
L, который является границей
поверхности A
A
A
H
E
L Hdl A jdA 0 A t dA
L
A
E
J

37.

Преобразование уравнения Максвелла в
дифференциальную форму
Дифференциальный оператор –
i
j k
x
y
z
(набла)
Дивергенция С -
divC C
Ротор С -
rotC C
Теорема Гаусса -
V
C
CdA divCdV
A
V
L
A
Теорема Стокса -
Cdl rotCdA
L
A
A
C

38.

Преобразование закона Гаусса
Закон Гаусса для вектора E -
0 EdA dV
A
Теорема Гаусса записанная для вектора Е -
EdA divEdV
A
Закон Гаусса для Е после подстановки -
V
V
0 divEdV dV
V
Закон Гаусса в дифференциальном виде -
0 divE
V

39.

Уравнения Максвелла в дифференциальной форме
Закон Гаусса
div 0 E
0 E
Закон электромагнитной
индукции Фарадея
H
rot E 0
t
H
E 0
t
Закон Гаусса для
магнитного поля
div H 0
H 0
Закон Ампера–Максвелла
E
rot H j 0
t
E
H j 0
t

40.

Волновое уравнение для диэлектрика (ρ=0, j=0)
Закон Фарадея
H
E
H
0
0
векторно умножается
t
t
на
E
H 0
Учитываем закон Ампера–Максвелла для j=0
t
2 E
E 0 0 2
t

41.

Волновое уравнение для диэлектрика (ρ=0, j=0)
Закон Фарадея
векторно умножается
на
H
E 0
0 H
t
t
2 E
E 0 0 2
t
E E E
Раскрываем двойное
2
2
2
векторное произведение 2 2 2
x
С учетом закона Гаусса при ρ=0
y
z
E E
E
E 0 0 2 0
t
2

42.

Волновое уравнение
E
E
2
с t
2
c 0 0
2
0
2
T
x
E (t , x) Emax sin t
c
vф c
Волновое уравнение в
сферической системе координат
Решение для точечного источника
vфT
n
(E r) 2 (E r)
c
0
2
2
dt
dr
Emax
E (t , r )
sin( t kr )
r
2
2
k=
Т
2
2

43.

Распространение электромагнитной волны

44.

Закон сохранения энергии
Вектор Умова-Пойтинга – мощность проходящая через
единичную площадку перпендикулярную вектору S
S E H
Поток вектора S через поверхность E H H E E H
E·(Закон Ампера–Максвелла)
E 1
E
E H 0E
0
t 2
t
H·(Закон Фарадея)
H
1
H 2
H E 0H
0
t
2
t
Объемные плотности энергии
электрического (wE) и магнитного
(wH) полей
1
wE 0 E 2
2
wH,wE
S
1
wH 0 H 2
2
S wE wH 0
t
2

45.

Взаимосвязь светотехнических характеристик с
параметрами электромагнитного поля
Ee vф E H vф
0 E 2 0 H 2
2
2
1
1 1 cos(2 x)
2 2 t
sin (
)dt
dx
T0
T
2 0
2
T
Ee vф
2
2
0 Emax
0 H max
4
2
2
0 Emax
0 H max
T
2
E
Е 2 max sin 2 ( t )dt
T 0
2
E
Е 2 max
2
Ee vф
2
0 Emax
2
2
c 0 Emax
n 2
Это соотношение устанавливает количественную взаимосвязь
светотехнической характеристики ( Ee ) с параметрами
электромагнитного поля, которое описывается фундаментальной
системой уравнений Максвелла

46.

Квантовые свойства излучения
Черное тело – объект, который
поглощает всю упавшую на него
энергию излучения. При излучении его
характеристики зависят только от
длины волны и температуры.
Классический подход
Релей-Джинс - Равномерное w w
E
H
распределение энергий по
излучателям
4 kT
В. Вин Термодинамическое
равновесие + закон
Максвелла распределения
молекул по скоростям
c2
c1
wE wH exp
T

47.

Квантовые свойства излучения
М. Планк 1900 год
wE wH
1
2
exp
1
T
Qe h
Стоячие волны
h 6.626 ×10-34 Дж с
Бегущая волна

48.

Квантовые свойства излучения (Эйнштейн)
Qn
Wn pn exp ; N n CWn
kT
Nm
Qm
Wm pm exp
; N m CWm
kT
Nn
Спонтанное излучение - Z m Z n
Индуцированное излучение - Z m Z n
n
N mc
Amn N m
h
n
m
n
N mв
wBmn N m
h
Поглощение излучения
-
Zn Zm
m
N nвm wBnm N n
n
h
h
h
m
n

49.

Квантовые свойства излучения
Тепловое равновесие -
Amn Nm wBmn Nm wBnm Nn
N n pn
Qm Qn
exp
N m pm
kT
T
w
w
mn
Qm Qn
exp
1
kT
N n Amn wBmn
Nm
Bnm
m
Qm Qn
n
A pm w Bn pn exp
Bm pm
kT
n
m
Bnm pn Bmn pm
n
A
mn mn
Bm

50.

Квантовые свойства излучения
Закон сохранения энергии
Qe h
w wE wН
Const
E
exp
1
kT
Если использовать подход Планка со
сферической формой кванта излучения, то
закон сохранения импульса примет вид:
1
P
P
Р
Р
Р
нi кi кв ат ат Рат 0
i
i

51.

Свойства фотона
pа
Энергия фотона -
ра = - pф
pф
Qeф h Qeф h
m
m0
c
1 v
Масса фотона Импульс фотона -
Qe mc
2
c
2
c
h =mфc
2
pф mфc pф
m0 0
h
mф
c
h
Истинные свойства излучения определяются единством его
волновых и корпускулярных свойств

52.

Область спектра электромагнитного излучения

53.

Оптическая область спектра

54.

Оптическая область спектра
Обозначение
поддиапазона
Начало поддиапазона Конец поддиапазона
(мкм)
(мкм)
ИК–А
0.78
1.4
ИК–В
1.4
3.0
ИК–С
3.0
1000
Обозначение
поддиапазона
Начало поддиапазона Конец поддиапазона
(нм)
(нм)
УФ–А
315
3801
УФ–В
280
315
УФ–С
100
280

55.

ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ИЗЛУЧЕНИЯ
Энергетическая система величин и единиц
Энергия – единая мера движения и взаимодействия различных форм материи. Qe – [ Дж ]
1 эВ = 1.6*10-19 Дж
dQe
Поток излучения Фе
[Вт]
dt
Фe ( ,t )
Для полной качественной и количественной характеристики потока
излучения необходимо знать:
– зависимость потока излучения от времени Фe(t)
– распределение его в пространстве (зависимость от углов α, β);
– распределение его по спектру (Фе(λ)).
T
Qе Фe (t ) dt
0
T
1
Фе ср Фe (t )dt
T0
Qe
Фе ср
T

56.

Телесный угол
Телесный угол – это область пространства, ограниченная
коническими поверхностями
Центральный телесный угол
Применяется для изотропных источников
Aсф
r2
[ cр ]
Aсф =2 r 2 1-cos(α)
2 1 cos( )
Зональный телесный угол
Используется для осесимметричных
источников (характер излучения не зависит от β)
dAсф =2 rsin(α) rd
d 2 sin( )d
90-α

57.

Телесный угол
Элементарный телесный угол
dA cos( )
d
l2
Полный телесный угол
cos( )
d 2 dA
l
A
A

58.

Телесный угол
Элементарный телесный угол
dA cos( )
d
l2
Полный телесный угол
cos( )
d 2 dA
l
A
A
Зональный телесный угол
cos( )
2
d
r d r d
2
r
0
2
d 2 sin( )d
90-α

59.

Сила излучения, энергетическое освечивание
Пространственную плотность потока
излучения называют силой излучения
dФе
I e ( , )
I e ( , , x, y, z , t )
d
Вт
ср
Oe = I e ( t )dt
0
Ib
Ia
Распределение в пространстве потока
излучения точечного источника однозначно
определяется его фотометрическим телом
– частью пространства, ограниченного
поверхностью, проведенной через концы
отрезков силы излучения
t
Энергетическое освечивание
Ib
Ia
Не вектор!

English Русский Rules